? ? 從建筑技術到客運和貨運，我們在日常生活的各個領域都面臨著巨大的動蕩。一個全新的話題是電動汽車。汽車制造商、工業公司和研究機構攜手合作，實施全電動車輛和必要的基礎設施。近年來，電動汽車的前景有了顯著改善。在過去的幾年中，各種公司已經研究和測試了新的驅動概念。第一批混合動力和電動汽車現已上市。電力電子系統等新組件被集成到汽車中，這是傳統柴油/汽油車輛中不存在的。

? ? 示例包括以下系統：

? ? 驅動逆變器以驅動驅動電機（高達300kW）

? ? 電池充電器（車載充電器）從3.6kW到22kW

? ? 感應充電（無線充電）從3，6kW到22kW

? ? 直流/直流轉換器高達5kW

? ? 用于空調、轉向支架、水泵等輔助單元的逆變器

? ? 對于上述系統，電力電子在確?；旌蟿恿碗妱悠嚨墓δ芊矫嫫鹬鴽Q定性的作用。

? ? 碳化硅高效半導體材料

? ? 汽車原始設備制造商對電力電子系統的要求對此類系統的開發人員來說是一個巨大的挑戰。特別是空間要求、重量和效率起著重要作用。此外，整個系統的成本和產品設計階段的工作量要保持在較低水平，同時還必須保證產品質量和操作安全。

? ? 傳統電力電子器件的效率基于硅半導體技術，通常在85%至95%之間變化。這意味著在每次功率轉換期間，大約10%的電能會以熱量的形式損失。一般來說，可以說電力電子的效率主要受到功率半導體性能特點的限制。由于其物理特性，半導體材料SiC具有滿足這些市場趨勢要求的巨大潛力。

? ? 與硅半導體器件相比，SiC的電場強度高出近十倍（2.8MV/cm對0.3MV/cm）。這種非常堅硬的SiC基板具有更高的電場強度，因此可以將更薄的層結構（即所謂的外延層）施加到SiC襯底上。這相當于硅外延層層厚度的十分之一。在相同的阻斷電壓下，SiC的摻雜濃度可以達到比Si對應物高兩個數量級。因此，組件的表面電阻（RonA）降低，從而大大降低了直通損耗。

? ? 熱設計在電力電子系統中起著決定性的作用，以便設計高功率密度，從而設計緊湊的系統。作為一種半導體材料，SiC非常適合這些應用，因為它的導熱系數幾乎是Si半導體器件的三倍。與硅半導體相比，SiC也適用于更高的工作溫度。

? ? 半導體器件的功耗

? ? 在電力電子系統的運行過程中，在電流流動和半導體元件的切換過程中會出現功率損失。電力電子系統中的總功率損耗包括靜態損耗和開關損耗。靜態損耗主要發生在功率組件的傳輸狀態期間。開關損耗是由打開和關閉半導體引起的。工作期間開關頻率越高，開關損耗就越高。

? ? 電力電子系統中的開關頻率通常由應用和系統特定的約束來定義。例如，電驅動器的開關頻率由電機所需的輸出頻率決定。此外，其他因素，如整個系統的諧振行為、電磁兼容性（EMC）和熱管理，在定義要使用的開關頻率方面起著重要作用。除了功率半導體器件中的功率損耗外，變壓器、電感器和中間電路電容器等無源元件也存在損耗。

? ? 功率半導體與電感和變壓器等無源元件之間的相互作用同時成為在整個系統中實現高功率密度的決定性因素。因此，在設計電力電子系統時，應考慮無源元件和半導體兩者的物理特性。

? ? 靜態損耗和開關損耗以及無源元件加起來就是系統中的總功率損耗，而總功率損耗又可以轉化為熱量。產生的熱量必須通過合適的冷卻介質散發，以確保所用組件和系統的可靠性。原則上，開關損耗由單個開關過程產生，例如在打開或關閉半導體時。開關頻率的增加會導致總開關損耗的增加，進而強烈影響總功率損耗。在車輛的某些電力電子系統中，為了滿足系統要求或規范，首選高開關頻率。在這樣的系統中，開關損耗將占系統中總功率損耗的很大一部分。

? ? 如果將硅半導體用于這種高開關頻率應用，則高功率耗散和由此產生的熱力系統開發人員要限制負載電流，以保證系統的功能和可靠性。換句話說，高開關頻率會導致更少的功率。但是，如果這些應用中的高負載電流是必不可少的，則必須相應地增加系統的整體體積。在這一點上，這一措施是不可避免的，但不符合最終用戶的期望?？梢哉f，硅半導體幾乎已經達到了極限。

? ? 比較具有高開關頻率應用中的SiC-MOSFET和Si-GIBT，可以說由于Si-IGBT的高開關損耗和由此產生的熱量，必須降低輸出電流。這是不超過最大芯片溫度并確保半導體功能的唯一方法。

? ? 使用SiC時，圖片看起來不同。SiC半導體具有比Si-IGBT更好的開關性能。因此，SiC在高開關頻率下產生的開關損耗較小。因此，與Si-IGBT相比，在高開關頻率下可以獲得更大的負載電流。

? ? 圖2顯示了原始SiC半橋模塊（BSM300D12P2E001）與市場參與者提供的四種不同IGBT模塊之間的比較。

? ? 該圖清楚地表明，在高開關頻率下，SiCMOSFET比Si-IGBT效率更高。當使用300AIGBT模塊和40kHz開關頻率時，應用中的負載電流不超過80Arms。相比之下，使用SiC200A模塊可以實現300臂的負載電流。這相當于負載電流比Si-IGBT高120%。

? ? 為了能夠開發緊湊型電力電子系統，電力電子開發人員必須使用最佳冷卻。近年來，市場上引入了幾種新的冷卻概念來應對這些挑戰。這些冷卻概念通常成本高昂，有時會在應用中引起問題。此類問題或挑戰不僅發生在開發階段，而且發生在生產階段和服務運行期間處理系統時。通過使用SiC等高效半導體材料，可以省去復雜的冷卻。這降低了冷卻成本并簡化了系統操作。

? ? 電力電子系統的小型化

? ? 基于電動汽車的應用場景，汽車制造商對電力電子系統提出了各種要求。例如，耐溫度變化、抗振性、不同溫度下的運行可靠性以及長使用壽命。此外，汽車制造商現在認為集成系統的高功率密度等要求是不言而喻的。然而，所有這些要求都是電力電子的主要挑戰。

? ? 高壓電池的續航里程是混合動力和電動汽車普及的最大障礙之一。為了說服最終客戶（即車主）相信電動汽車，許多汽車制造商目前依賴具有快速充電時間的充電系統。這是為了簡化電動汽車的使用。但是快速充電意味著對于技術實施而言，需要在短時間內獲得更高的充電性能才能為電池充電。由于車內的可用空間始終有限，因此電池充電器系統必須具有高功率密度。這是將此類系統集成到車輛中以滿足市場需求的唯一方法。

? ? 車載充電器是由用于電源轉換的不同組件組成的復雜系統。這些系統中集成了幾個組件。示例包括：半導體（如二極管、MOSFET）、無源元件（如電感器和電容器）和具有相應轉換比的變壓器，以所需的電壓為電池充電。此外，變壓器用于在充電過程中對高壓電池進行電耦。

? ? 電力電子元件小型化的選擇之一是電感器和變壓器等無源元件的更緊湊設計。這通常只有在可以控制在同一電路中部署的半導體以高開關頻率時才有可能。對于硅半導體，高開關頻率下的熱負載將限制這種方法。由于其出色的開關特性，SiC-MOSFET非常適合這些情況。

? ? 圖3顯示了以下示例：對于采用Si半導體的DC/DC轉換器系統，開關頻率限制為25kHz。如果使用SiCMOSFET，則開關頻率可達160kHz。這導致整個系統的繞組質量大幅小型化?？蓪崿F高功率密度和顯著的整體重量減輕。

審核編輯：劉清